陳 謙

（中鐵十二局集團(tuán)第七工程有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410004）

1 前言

巖溶地質(zhì)是危害較大的地質(zhì)條件，溶洞的存在削弱了樁端持力層的承載能力，可能引發(fā)一系列的基樁承載和變形問(wèn)題［1］。因此，有很多學(xué)者研究了巖溶區(qū)溶洞對(duì)樁基的影響。本文結(jié)合鄭徐客專工程中的徐州特大橋341＃墩，分析橋梁樁基礎(chǔ)下伏土層的厚度和下伏灰?guī)r層中溶洞跨徑等對(duì)墩臺(tái)群樁基礎(chǔ)的施工沉降和工后沉降的影響。同時(shí)，分析了當(dāng)相鄰墩臺(tái)采用兩種不同類型樁基礎(chǔ)時(shí)，兩者之間的差異沉降特點(diǎn)，從中找出下伏土層加固的方法與施工措施，提出相應(yīng)的施工工藝，以保證橋梁墩臺(tái)群樁基礎(chǔ)的工后沉降能滿足規(guī)范要求。

2 工程概況

鄭州至徐州客運(yùn)專線沿線屬黃淮沖積平原，地形平坦，多辟為農(nóng)田、林地、魚塘、村莊等，且在徐州、蕭縣有出露的剝蝕丘陵。地質(zhì)勘測(cè)表明，地層中沉積了巨厚的松散堆積物，不良地質(zhì)和特殊土主要有松軟土、巖溶等。其中，徐州特大橋341＃橋墩處的地質(zhì)條件為典型工點(diǎn)地質(zhì)條件。徐州特大橋341＃墩為摩擦樁，其承臺(tái)尺寸為6.8 m×10.2 m×2.5 m，墩位布置如圖1所示。

圖1 341#墩墩位布置

2.1 地質(zhì)條件

341＃群樁基礎(chǔ)的樁側(cè)土主要以粉質(zhì)黏土和黏土為主，下伏基巖為灰?guī)r。各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各土層的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 荷載

承臺(tái)頂面主要承受的荷載為上部結(jié)構(gòu)的自重和列車活載，其中以軸向荷載為主。為了便于表述，將成樁完成至鋪軌前的施工過(guò)程稱為工前階段，將鋪軌完成之后稱為工后階段，則承臺(tái)頂面所承受的荷載大小分別為：

（1）工前階段：主要有墩臺(tái)的自重，約為13 741.2 kN。

（2）工后階段：主要有梁重、軌道板及其鋼軌等重量，工后荷載為9 000 kN左右。

（3）荷載作用面積為長(zhǎng)4 m（直線段）、寬2 m的圓端形范圍，計(jì)算中按矩形區(qū)域進(jìn)行等效。

3 天然地基群樁基礎(chǔ)分析

3.1 計(jì)算模型

本文采用FLAC3D軟件對(duì)341＃橋墩的基礎(chǔ)沉降進(jìn)行計(jì)算，以評(píng)估橋梁群樁基礎(chǔ)工后沉降的大小和需要采取的沉降控制方法。

如圖2所示，土層為長(zhǎng)方體模型，其深度取50.5～60.5 m，沿線路走向和垂直線路方向的長(zhǎng)度均取8～10倍的承臺(tái)寬度，同時(shí)用Mohr-Coulomb模型來(lái)描述土層的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。用Pile單元模擬10根長(zhǎng)36 m、樁徑為1.0 m的摩擦樁，用Shell單元模擬厚度為2.5 m的承臺(tái)，兩者采用剛性連接。摩擦樁彈性模量為28 GPa，基樁切向和法向剛度取10倍左右的土層壓縮模量，接觸面上的黏聚力和內(nèi)摩擦角均采用與土體相同的參數(shù)。將下伏溶洞簡(jiǎn)化為直徑為D的球形空腔，其球心與群樁基礎(chǔ)形心位于同一豎軸上［2－4］。

圖2 計(jì)算模型

3.2 h1和h2影響分析

本節(jié)分析溶洞跨徑D為3 m時(shí)4種工況（h1＝10 m，h2＝3 m；h1＝10 m，h2＝0 m；h1＝5 m，h2＝0 m；h1＝3 m，h2＝0 m）下摩擦樁的基礎(chǔ)沉降。其中，h1為樁端至灰?guī)r頂面的距離，h2為下伏溶洞洞頂至灰?guī)r頂面距離。圖3為4種工況下工前和工后兩個(gè)階段同一基樁的樁身沉降沿深度的分布圖。圖4為4種工況條件下的工前和工后兩個(gè)階段角樁軸力隨樁身深度的分布曲線。

圖3 基樁沉降隨樁身深度分布曲線（D=3 m）

圖4 角樁軸力隨樁身深度分布曲線（D=3 m）

（1）由圖3可知，在樁身范圍內(nèi)，群樁基礎(chǔ)的沉降變化小，且h1越小，群樁的沉降越小。

（2）當(dāng)處于最不利情況（h1＝3 m，h2＝0 m）時(shí)，下伏溶洞的存在對(duì)群樁基礎(chǔ)變形影響不大。

（3）4種工況下的樁頂工后沉降差別不大，處于12.5～14.5 mm之間，均滿足工后沉降要求。

（4）由圖4可知，除工前階段樁頂軸力存在一定的差異外，4種工況條件下的樁身軸力曲線基本重合，均隨著深度的增加，軸力逐漸減小，在樁端位置，樁身軸力趨近于0?？偟貋?lái)說(shuō)，樁端軟弱下臥層厚度h1和溶洞頂板高度h2對(duì)基樁的受力影響不大［5－8］。

此外，本節(jié)還分析了4種工況條件下樁端土層和基巖面附加應(yīng)力沿y軸方向的分布曲線（坐標(biāo)系統(tǒng)參照模型圖2，坐標(biāo)軸的原點(diǎn)在墩臺(tái)底部形心位置）。其中，附加應(yīng)力定義為僅由承臺(tái)頂面外部荷載引起的土層豎向應(yīng)力。分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 附加應(yīng)力沿水平距離分布曲線（x=0）

（5）由圖5可知：附加應(yīng)力在樁端附近達(dá)到最大，當(dāng)下臥層h1＝3 m時(shí)附加應(yīng)力接近70 kPa，且隨著向兩側(cè)距離的增大而遞減；當(dāng)下臥層h1＝10 m，溶洞頂板厚度h2＝3 m和0 m時(shí)，樁端附加應(yīng)力分布基本相同，此時(shí)溶洞的影響很小。由圖5b可知，下臥土層較厚時(shí)，下伏溶洞的拱頂沉降將導(dǎo)致洞頂范圍內(nèi)附加應(yīng)力降低并出現(xiàn)負(fù)值；下臥層較薄時(shí)，由于巖面距離樁端較近，經(jīng)樁傳遞至下臥層的荷載起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致巖面附加應(yīng)力增加，此時(shí)應(yīng)力分布曲線呈現(xiàn)出3個(gè)極值。同時(shí)，由摩擦樁傳遞到基巖面上的附加應(yīng)力值都不大（最大為53 kPa左右），遠(yuǎn)小于基巖的抗壓強(qiáng)度值（67.47 MPa），這樣的應(yīng)力條件不能使基巖產(chǎn)生變形破壞。這從另外一個(gè)方面也說(shuō)明在工作荷載作用下，群樁基礎(chǔ)的沉降變形主要由下臥土層的特性與厚度所決定，而與下伏基巖無(wú)關(guān)。

3.3 溶洞跨徑影響分析

在灰?guī)r地層中，溶洞大小及其填充物的性質(zhì)對(duì)地層的穩(wěn)定性有很大影響，特別是溶洞的大小對(duì)地層的影響非常大，因此，需要研究灰?guī)r地層中溶洞的跨徑D對(duì)群樁基礎(chǔ)工后沉降的影響。本文模擬計(jì)算了溶洞跨徑D對(duì)工前沉降和工后沉降的影響。仍以341＃墩的實(shí)際資料為依據(jù)，樁端下伏土層厚度h1為10 m，溶洞頂板厚度h2分別為3 m、0 m，溶洞跨度分別為3 m、5 m、10 m。圖6和圖7分別給出了溶洞跨徑D對(duì)基樁的施工期沉降和工后沉降的影響，其中圖6對(duì)應(yīng)的頂板厚度h2＝3 m，圖7對(duì)應(yīng)的頂板厚度h2＝0 m［9－10］。

圖6 溶洞跨徑D對(duì)基樁沉降的影響（h2=3 m）

圖7 溶洞跨徑D對(duì)基樁沉降的影響（h2=0 m）

由圖6、圖7可知：

（1）隨著溶洞跨徑D的增大，土體工后沉降量越大。

（2）隨著溶洞跨徑D的增大，樁頂?shù)某两底冃沃饾u增大，尤其是當(dāng)溶洞跨徑D達(dá)到10 m時(shí)，沉降變形顯著增加。而對(duì)于工后沉降，下伏溶洞的跨度越大，樁頂沉降變形越小。

（3）對(duì)于總沉降而言，3種溶洞跨度條件下總沉降相差不大，跨徑D＝10 m時(shí)的值稍微偏大。

3.4 嵌巖樁

當(dāng)墩臺(tái)采用不同類型樁基礎(chǔ)時(shí)，產(chǎn)生的基礎(chǔ)沉降量不同。本節(jié)中假設(shè)341＃橋墩的樁基礎(chǔ)為嵌巖樁，此時(shí)，對(duì)于嵌巖樁基礎(chǔ)沉降的計(jì)算仍然采用圖2計(jì)算模型，其他計(jì)算參數(shù)取表1中的數(shù)據(jù)；同時(shí)，計(jì)算中假定樁端嵌入巖體深度為1 m，溶洞頂板厚度為4 m。樁端采用法向屈服彈簧模擬端承效應(yīng)，面積為0.785 m2，彈簧剛度為2.6×1010N/m3，壓縮屈服荷載為785 kN。外部荷載的大小與上述摩擦樁情況類似［11－13］。

在計(jì)算過(guò)程中，考慮了兩種情況：一種是有溶洞情況，溶洞跨徑D＝3 m，溶洞頂板厚度為4 m；另外一種是沒有溶洞的情況。圖8為有、無(wú)溶洞情況下，嵌巖樁樁身位移沿深度的分布圖，由此可知：

圖8 基樁工后沉降隨樁身深度分布曲線

（1）對(duì)于嵌巖樁，樁頂荷載引起的位移很小，樁頂工后沉降僅為2.6 mm。

（2）有無(wú)下伏溶洞對(duì)樁的變形、受力影響不大，兩者曲線基本重合，這與前述摩擦樁的結(jié)論相一致。

經(jīng)計(jì)算可得，在荷載、樁長(zhǎng)以及溶洞跨徑（3 m）均相同的條件下，摩擦樁與嵌巖樁的工后沉降分別為13.5 mm和2.6 mm。由此可知，嵌巖樁的工后沉降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于摩擦樁的工后沉降，兩者的差值達(dá)10.9 mm。

在高速鐵路的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，核心問(wèn)題之一是工后沉降的控制。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（試行）［7］，對(duì)于無(wú)砟軌道橋梁，墩臺(tái)容許工后沉降為20 mm，靜定結(jié)構(gòu)相鄰墩臺(tái)沉降差為5 mm，對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)，其相鄰墩臺(tái)均勻沉降量之差的容許值，除要滿足靜定結(jié)構(gòu)相鄰墩臺(tái)沉降量之差的要求外，還應(yīng)根據(jù)沉降對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力的影響而定。對(duì)于實(shí)際中嵌巖和非嵌巖的相鄰橋墩樁基礎(chǔ)，沉降差達(dá)到10～12 mm，超過(guò)了規(guī)范的容許限值，有必要對(duì)坐落于軟土地基上摩擦型群樁基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，以滿足工后差異沉降的要求。

綜上，在相同工作荷載與相同參數(shù)條件下，嵌巖樁的工后沉降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于摩擦樁的工后沉降；當(dāng)相鄰兩墩臺(tái)分別采用摩擦樁與嵌巖樁作為基礎(chǔ)形式時(shí)，兩墩臺(tái)的差異沉降可能不能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）341＃墩采用摩擦樁時(shí)，群樁基礎(chǔ)工后沉降基本在規(guī)范容許范圍之內(nèi)，說(shuō)明樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)滿足要求，且群樁沉降變形主要由樁端下臥土層的壓縮造成，下臥土層越薄，群樁沉降也就越小。

（2）由于群樁基礎(chǔ)應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)的影響，傳遞到基巖面上的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基巖的抗壓強(qiáng)度值，使得基巖處于彈性變形階段，變形很小。

（3）有溶洞存在時(shí)，群樁基礎(chǔ)的沉降變形也基本上是由樁端下臥土層壓縮所引起。溶洞跨度的大小對(duì)群樁基礎(chǔ)的總沉降影響不大。

（4）當(dāng)相鄰兩墩臺(tái)分別采用摩擦樁與嵌巖樁作為基礎(chǔ)的形式時(shí)，兩墩臺(tái)的差異沉降可能不能滿足規(guī)范要求，且在相同工作荷載與相同參數(shù)的條件下，嵌巖樁的工后沉降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于摩擦樁的工后沉降，因此，有必要對(duì)坐落于軟土地基上摩擦型群樁基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，以滿足工后差異沉降的要求。